Proses Generasi Dan Rekombinasi.docx

Proses Generasi dan Rekombinasi Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik permeter kubik) tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur T dinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistik menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan e eVG kT .Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggi maka laju generasi termal akan tinggi. Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderung mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada. Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya R akan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak. Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikit lubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangat tinggi. Secara umum dapat dituliskan: R=rxnxp dimana r menyatakan konstanta proporsionalitas bahan Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnya laju rekombinasi. Pada semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlaku atau dengan kata lain g = g = R=rxnxp=rxn atau I x nx p = n perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatu konstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atom donor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan Thermal Eksitasi termal elektron dari pita valensi ke pita konduksi menghasilkan generasi pasangan elektron-lubang (Gambar 2.5).

Gambar 2.5. (a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b) Rekombinasi elektron-lubang melalui trap (Bahaa E. A. Saleh, 1991)

Kesetimbangan termal mengharuskan proses generasi ini disertai dengan proses sebaliknya (de-eksitasi) secara bersamaan. Proses ini disebut rekombinasi elektron-lubang, terjadi ketika sebuah elektron meluruh dari pita konduksi untuk mengisi lubang di pita valensi. Energi yang dilepaskan oleh elektron berupa foton yang dipancarkan, dalam hal ini disebut rekombinasi radiasi. Rekombinasi non radiasi dapat terjadi melalui sejumlah proses, termasuk transfer energi untuk getaran kisi (menciptakan satu atau lebih fonon) atau elektron bebas lain (proses Auger). Rekombinasi juga dapat terjadi secara tidak langsung melalui perangkap (traps) atau pusat cacat (defect centers). Ini adalah tingkat energi yang terkait dengan impuriti atau cacat karena dislokasi, atau ketidaksempurnaan kisi lainnya, yang terletak di dalam celah pita energi. Pengotor atau keadaan cacat dapat bertindak sebagai pusat rekombinasi jika ia mampu menjebak kedua elektron dan lubang, sehingga meningkatkan kemungkinan mereka bergabung kembali. Hasil rekombinasi ini mungkin radiasi atau non radiasi. Laser Semikonduktor (Laser Dioda) Laser semikonduktor, proses lasing terjadi didalam sambungan dioda semikonduktor. Untuk mendapatkan aksi laser, semikonduktor tipe-P sebagai pembawa muatan positif atau hole dan tipe-N sebagai pembawa muatan negatif atau elektron harus melakukan generasi dan rekombinasi. Pada arus panjar nol, suatu daerah pengosongan (depletion zone) memisahkan kedua bagian. Rekombinasi terjadi secara kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan luar dari kristal pembentuk semikonduktor, seperti pada Gambar 2.6.a.

Gambar 2.6. Level Energi dan pembawa konsentrasi sambungan PN semikonduktor (a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda Semikonduktor dengan tegangan bias maju (H. Ghafouri Shiraz, 2003) Arus panjar maju (forward panjar) yang cukup diberikan pada sambungan untuk mengatasi potensial batas, daerah pengosongan akan menghilang, dan lubang bebas bergerak melewati sambungan kedalam daerah N, sementara elektron-elekron bebas pula bergerak kedalam daerah P, seperti pada Gambar 2.6.b. Apabila kuat arus yang diinjeksikan atau arus panjar lemah, maka invers population tidak terjadi. Apabila arus panjar maju yang diberikan ditingkatkan maka invers population akan terjadi sehingga emisi terstimulasi pun dapat mendominasi pada arus panjar tertentu, yang disebut arus ambang. (Wildan, 2011) a. Panjang Gelombang Bandgap Penyerapan dan emisi dari band ke band secara langsung dapat terjadi hanya pada frekuensi untuk energi foton hv >𝐸𝑔. Frekuensi minimum v yang diperlukan adalah 𝑣𝑔 =

𝐸𝑔

⁄ℎ, sehingga

panjang gelombang maksimum yang sesuai adalah 𝜆𝑔 = 𝑐𝑜/𝑣𝑔 = h𝑐𝑜/𝐸𝑔 . Jika energi bandgap diberikan dalam eV, panjang gelombang bandgap 𝜆𝑔=h𝑐𝑜/𝑒𝐸𝑔 dalam 𝜇m diberikan oleh 𝜆𝑔 =

1.24 𝐸𝑔

Panjang gelombang bandgap 𝜆𝑔 (𝜇m) dan 𝐸𝑔 (eV). Kuantitas 𝜆𝑔 disebut panjang gelombang bandgap (atau panjang gelombang cutoff). Kandungan energi dari sebuah foton yang dilepaskan dalam suatu semikonduktor ada hubungannya dengan energi bandgap dari bahan semikonduktor. (Bahaa E. A. Saleh, 1991).

b. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda Laser DFB adalah laser semikonduktor yang dapat mencapai operasi single longitudinal mode, yaitu laser dengan mode panjang gelombang puncak tunggal atau dikenal dengan panjang gelombang Bragg λB. Laser ini didesain dengan struktur yang menggunakan distributed reflector (Bragg gratings) yang ditempatkan berbatasan langsung dengan daerah aktif dengan menggunakan pandu gelombang spasial bergelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.a. Akibat adanya distributed reflector, akan menyebabkan terjadinya distributed feedback, dimana struktur periodik ini bertindak sebagai reflector yang terdistribusi pada kisaran panjang gelombang kerja laser. (Sekartedjo, K. 1984) DFB laser beroperasi dengan lebar spektral sekecil 10 MHz (tanpa modulasi) dan modulasi bandwidth yang baik kisaran GHz. DFB laser digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk komunikasi serat optik di kisaran panjang gelombang 1,3 hingga 1,55𝜇m.

Gambar 2.7. DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak sebagai pemantul terdistribusi. (Bahaa E. A. Saleh, 1991)

Dioda merupakan komponen listrik yang berfungsi sebagai penyearah arus, yang terbuat dari semikonduktor yang memanfaatkan sambungan p-n. Semikonduktor sambungan p-n merupakan semikonduktor yang menyambungkan jenis p (jenis yang mayoritas membawa hole) dengan sambungan tipe-p (jenis semikonduktor yang mayoritas membawa elektron). Suatu semikonduktor dapat dibuat menjadi tipe-p atau n, tergantung dengan dopping yang dilakukan. Apabila semikonduktor didopping oleh hole, maka dikatakan bahwa semikonduktor adalah tipep, sedangkan semikonduktor yang didopping oleh elektron yang mayoritasnya maka disebut

sebagai tipe-n. Hal ini, Sambungan p-n, diperoleh melalui penyambungan tipe p dengan tipe n yang dilakukan dalam proses peleburan atau peleburan kristal. Karena semikonduktor sebagai pembawa mayoritas hole dan tipe n pembawa mayoritas elektron, jika disambungkan maka elektron akan berdifusi menembus daerah sambungan yang mengisi hole, seperti Gambar.1. Akibatnya akan timbul polarisasi sehingga menghasilkan medan listrik yang menghambat gerakan elektron Gambar.2. Selain itu, polarisasi akan mengakibatkan timbulnya lapisan pengosongan. Lapisan pengosongan atau yang dikenal sebagai lapisan perintah yaitu daerah sambungan dari semikonduktor yang terbebas dari pembawa muatan. Lpisan ini, berfungsi sebagai penghalang gerak elektron untuk menembus daerah sambungan. Medan listrik yang timbul akan menghasilkan beda potensial (tegangan sambungan) yang menghalangi difusi elektron. Tegangan sambungan p-n untuk silikon adalah 0,6 volt sedngkan untuk germanium tipe p-n = 0,2 volt. Berarti bahwa semikonduktor tipe-n memiliki jumlah elektor bebas lebih banyak dibandingkan dengan jumlah hole dan sebaliknya untuk tipe-p jumlah hole lebih banyak dibandingkan dengan elektron. Oleh karena itu, semikonduktor tipe-n, disebut muatan negatif sebgai pembawa muatan mayoritas dan hole adalah pembawa muatan minoritas. Sebaliknya pada tipe p, elektron disebut sebagai pembawa muatan minoritas sedangkan hole sebgai pembawa muatan mayoritas.

Gambar 2

Tipe-N Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity )memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. Tipe-P Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p. Dioda PN Jika dua tipe bahan semikonduktor dapat disambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda. Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen semikonduktor sambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.